Forskere overraskede: Ohms lov gælder også i kvanteverdenen
Noget overraskende viser det sig, at Ohms lov også gælder på nanoskala. Det betyder, at mange flere generationer af små elektronikkomponenter er mulige.
Billede af en 4 siliciumatomer bred tråd (1,5 nanometer),som har kapacitet til at overføre samme strøm som en kobbertråd. En australsk-amerikansk forskergruppe har vist, at Ohms lov meget overraskende også holder for denne elektriske tråd. (Foto: Bent Weber, University of New South Wales).
Læs også
Læs mere om
Dokumentation
Selv når elektronikken skrumper ned i kvantestørrelse, vil Ohms lov noget overraskende være gældende.
Det viser eksperimenter og beregninger foretaget af en australsk-amerikansk forskergruppe ledet af Michelle Simmons fra University of New South Wales.
Når Ohms lov også gælder på en atomar målestok, vil det fortsat være muligt at formindske elektroniske komponenter mange gange, skriver forskerne i deres artikel, der netop er blevet offentliggjort i Science.
»Det er godt nyt for halvlederindustrien, som gerne vil opretholde Moores lov,« skriver David Ferry fra Arizona State University i USA i en kommentar i Science til det nye forskningsresultat.
En empirisk lov
Ohms lov er ikke en naturlov på samme måde som tyngdeloven.
Det er en empirisk lov, som Georg Ohm udledte i 1826 på baggrund af en lang række forsøg, og som han beskrev udførligt i afhandlingen 'Die Galvaniche Kette' i 1827.
Den siger som bekendt, at spændingsforskellen (V) over et elektrisk ledende materiale er proportional med strømmen (I), der flyder gennem materialet:
V = R I
Fysikerne havde ventet, at denne lov – som så meget andet - ville bryde sammen, når dimensionerne blev så små, at kvanteeffekter ville sætte ind – ikke mindst ved lave temperaturer.
I den klassiske verden er modstanden, som Ohm viste, proportional med længden – og omvendt proportional med ledningsevnen og tværsnittet. I kvanteverdenen, hvor der er tale om kohærent transport, er modstanden derimod uafhængig af længden.
Fire atomer brede nanotråde
Forskergruppen fremstillede elektrisk ledende tråde med tykkelser mellem 1,5 nm og 11 nm.
Den tyndeste var kun fire atomer bred – og et atom høj - med en resistivitet på 0,26 milliohm-centimeter. Trådenes længder var mellem 20 og 312 nanometer.
Trådene bestod af siliciumatomer, doteret med fosforatomer i en koncentration på 10^21 pr. kubikcentimeter. Det er en meget høj dotering i sammenligning med sædvanlige halvledermaterialer.
Denne koncentration betyder, at den gennemsnitlige afstand mellem fosforatomer i tråden er omkring en nanometer (fosforatomets diameter er omkring en tiendedel nanometer).
Det er fosforatomerne, der gør strukturen elektrisk ledende, og som forskerne skriver i deres artikel, så den får en metallisk ledningsevne.
Med en spænding på 0,5 millivolt var det muligt at opnå en strømtæthed på 500 kiloampere pr. kvadratcentimeter. Forskerne bemærker, at det stort set svarer til det, der kan opnås i kobberforbindelser.
Spredning opretholder Ohms lov
Den elektriske modstand på kvanteniveau er baseret på kohærent transport, som gradvist nedbrydes på grund af spredning i materialet.
Eksperimenter og beregninger for andre materialer som f.eks. indiumarsenid har dog vist, at for længder op til 200 nanometer vil kvanteeffekterne være gældende selv ved stuetemperatur.
Alle fem fosfordoterede siliciumtråde viste dog en ohmisk sammenhæng mellem strøm og spænding selv ved en temperatur på 4,2 kelvin og for længder helt ned til 10 nanometer.
David Kerry skriver i sin kommentar, at det må skyldes, at den høje koncentration af fosfor-atomer er med til at øge spredningen, så kohærensen meget hurtigt nedbrydes – selv ved lave temperaturer, hvor den lettere burde være opretholdt.
